吊瓶液位智能报警开关设计

吊瓶液位智能报警开关设计专业：机械设计制造及其自动化年纪：***姓名：***摘要本课题设计是针对目前在医疗输液系统中，患者需要时常观看输液进度，以致可以及时提醒护士进行换液或者拔针等诸多不便的现象，而设计的一套智能报警系统。该系统通过对硬件以及软件的设计，当输液完毕时达到智能报警的目的。主要用到的工具包括红外线传感器、U型夹具、C52单片机等，结合外围电路的设计达到智能报警目标,外围电路包括电源电路、滴液检测电路、报警电路和显示电路。此系统具有性能好、可靠性高、经济性好等特点，将极大的提高医疗输液方面的方便性与自动化智能水平，具有很好的发展应用前景。关键词：单片机；智能报警；红外线传感器AbstractThisprojectisanintelligentalarmsystemaboutmedicalinfusionproblem.Thepatientsalwayswatchtherateofinfusionandremindnursestochangeanotherinfusionbottle,pullouttheneedleandsoon.Accordingtothedesignofhardwareandsoftware,therewillbeanalarmastheinfusioniscompleted.Iusedinfraredsensor,fixture,C52SingleChipMicrocomputeranddesignedperipheralcircuit.Theperipheralcircuitincludepowersupplycircuit,detectioncircuit,alarmcircuitanddisplaycircuit.Thissystemishigh-performance,reliableandeconomy,itwillimproveautomationandintelligenceonmedicalinfusion.Itwillbeapractical,hopefulandusablesystem.Keywords:SingleChipMicrocomputer；Intelligentalarm；IRinfraredsensor目录摘要

Abstract1绪论12输液智能系统总体设计22.1系统总体方案设计22.2设计方案的分析与选择23硬件部分的设计53.1系统结构53.2输液液滴监测原理53.3滴液检测电路53.4.电源电路63.5报警电路73.6显示电路73.7单片机最小系统94软件部分的设计124.1编程部分主流程图124.2信息监测部分程序段135全文总结。216致谢227参考文献23译文PAGE231绪论随着我国经济文化的大力发展，我国的医疗事业也有了较为长足的发展，虽然相对于欧美等发达国家还有这一定的距离，但也取得了令世界刮目的成绩。到2010年，我国医疗器械总量超过日本跃居第二，仅次于美国，并且市场突破1000亿大关。尤其在多种中低端医疗器械产品方面，产量位居世界第一。实际上，到2012年我国拥有医疗器械企业俞1.2万家，市场的集中度比我国的药品制造业更低，虽然其工业生产总值已然令世界瞩目，但是却没有形成几家极具影响力的龙头企业。虽然在低端市场占据绝对优势，但总体来说我国医疗器械企业规模小、技术含量低、新产品开发滞后、行业分工不尽合理，还需要大力的投入人力、物力、财力以致能够在高端市场也占有一席地位，进而能在行业中处于国际领先水平。如果，国内的医疗器械企业一直直走低端路线，而不在高端领域和产品创新方面突破，这样路会越走越窄。实际上，中国现在能生产绝大多数的常用医疗器械产品，尤其是中国具有全球最强的一次性医疗器械产品，如一次性注射器、输液器、输血袋、普通外科器械产品、各种医用纺织品等。医疗器械不同于药品，其生命周期短的可能只有两三年，国外产品也很少有超过5年的，因此，新技术的研发和应用速度是医疗器械产品创新的核心竞争力。随着改革开放的不断深入，我国经济飞速发展，人民生活水平大幅度提高，对医疗保健方面也越来越重视越来越要求更好地发展。这就使得我国在医疗方面将有更大的投入，无论是人才的投入还是资金的投入都将不断加大。使不论是中低端产品还是高端产品都有大的提升，产品的质量越来越好，功能越来越全越来越多，种类同时也不断的丰富。静脉输液是利用大气压和液体静压原理将大量无菌液体、电解质、药物由静脉输入体内的方法。目前，输液过程还存在着很多的隐患，比如输液速度的控制，输液时需经常观察输液进度的现象，给患者或者陪护人员带来了诸多不便。因为，如果不实时观察输液进度，将可能会造成输液结束时，护士未能及得到信息、未能时拔出针，造成患者出现回血的现象，给患者带来一定的危害。本设计就是针对于输液结束时未能及时反馈给医护人员的现状而设计的一套智能报警系统。该系统利用红外线传感器来监测有无液滴滴下，当无液滴滴下时，红外接收电路无电压变化，进而将该现象反馈给单片机进行分析，再驱动报警电路进行报警，使得医护人员及时得知患者输液完毕的信息，对患者及时的进行换药或者拔针。2输液智能报警系统总体设计2.1系统总体方案设计本设计以传感器实时监测到的输液信息为信号发端，通过外电路的传递，进而到核心单片机出进行数据分析，当监测信号反馈出的信息是输液完毕时，单片机驱使报警电路以及显示电路进行报警显示。通过该系统，护士可以实时监控没个病人的输液状况，一旦输液完毕，或者是输液出现偏差，造成患者入针处水肿输液速度极慢，护士可以前往进行及时的处理。其原理框架图如图2-1：显示电路传感器输液检测电路AT89C52单显示电路传感器输液检测电路AT89C52单片机（对检测信号进行分析）驱动报警电路检测信号处理电路驱动报警电路检测信号处理电路电源电路电源电路图2-1输液智能报警系统总体框架图2.2设计方案的分析与选择在进行本课题设计时，在对传感器的选择以及传感器的安放位置选择，我提出了三种设计方案，下面对每一种方案进行分析：方案一：选择红外线传感器，将红外线传感器安放在莫氏管处，对滴液进行检测。原理为以红外发光二极管发出红外光，光线透过莫氏管由光电三极管接收，光电三极管再将接收到的光信号转换成电信号进行输出。预期以5s为监测时段，若5s内有液滴滴下，则在5s内红外线接收端接收到的红外线光强度有变化；若5s内没有液滴滴下，则5s内红外线接收端接收到的红外光强度无变化，经单片机进行分析驱动报警电路产生报警，同时驱动显示电路进行显示。其示意图如图2-2。报警器数码管报警电路显示电路信号处理电报警器数码管报警电路显示电路信号处理电路AT89C52单片机进行信号分析红外线传感器图2-2方案一示意图方案二：选择红外线传感器，将传感器安放在液瓶底部，对液瓶内的液体进行监测。当输液快要结束时，红外发光二极管发出的红外光经液面折射变化，光电三极管接收到的光信号减弱，有光信号转变而来的电信号随之减弱，经单片机进行分析驱动报警电路产生报警，同时驱动显示电路进行显示。其示意图如图2-3。报警器数码管报警电路显示电路AT89C52单片机进行信号分析信号处理电路报警器数码管报警电路显示电路AT89C52单片机进行信号分析信号处理电路红外线传感器红外线传感器图2-3方案二示意图方案三：选择压力传感器，将传感器安放在液瓶底部，对液瓶内的液体压强进行监测。信号处理电路将压力信号转换成电信号，当压强减小到某值范围内时，单片机驱动报警电路进行报警，同时驱动显示电路显示，此方案的报警压强数值需要试验进行测的。其示意图如图2-4。数码管报警器压力传感器报警电路显示电路AT89C52单片机进行信号分析信号处理电路数码管报警器压力传感器报警电路显示电路AT89C52单片机进行信号分析信号处理电路图2-4方案三示意图比较上述三种方案，本设计选择方案一的解决方法。这是因为，方案二相对于方案一来说，对液面变化的监测相对困难。在输液过程中液瓶往往会发生倾斜，此时也会使红外光线折射变化，但药液却并未到底，可能产生误报。同时将传感器安放在液瓶底部的装夹定位也不方便，不如方案一使用一个U型夹具来得方便。方案三相对于方案一来说，设计较为复杂，报警压力数值范围需实验测得，并且输液瓶形状及容积的差异也会影响压力测重的精度。并且传感器装夹定位也相对不方便。综上所述，最终选择方案一进行本毕业设计。3硬件部分设计3.1系统结构虽然前面已初步的对系统硬件做了相关的简单介绍，在此将系统的做一个详细说明。系统的总体框架图如图2-1，用到的零件主要有单片机、红外线传感器、U型夹具、报警器等。主要包含红外发射、红外接收、信号监测处理、驱动报警、驱动显示等外围电路，以及核心单片机程序编写。单片机采用AT89C52单片机，含有2*4k的ROM。3.2输液液滴监测原理本设计的液滴监测是采用一个U型夹具将红外线传感器装夹在莫氏管处，采用红外检测技术，对一段时间段内时候有液滴滴下进行监测，如图2-2所示。由红外线发光二极发出红外线，另一段的光电三极管接收红外线，然后将接收到的光信号转换成电信号输出，再由后面的单片机进行分析处理。当液滴滴下通过红外线时，红外线折射衰弱，使光电三极管接收到的光信号衰弱，进而转换成的电信号也减弱，即输出的电信号有变化。在此以5s为监测时段，若5s内有液滴滴下，则此时段内输出电信号会周期性的变化，表示输液仍再继续不产生报警；若5s内没有液滴滴下，则此时段内输出的电信号不会发生变化，表示输液已完毕，单片机控制驱动报警器报警，提示医护人员进行换液或者拔针。3.3滴液检测电路滴液监测电路主要由红外线发射、接收电路和脉冲整形电路三部分组成。如图3-3所示。红外发光二极管发出红外光，当光电三极管中具有光敏特性的PN结受到红外光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于β倍的信号电流。随后经比较器LM358（即图3-3中的三角形）转换成高低电平进行输出。当有液滴滴下通过红外光线时，光电三极管接受到的光信号减弱，电极之间的电阻随之变大，两端的电压也随之变大。液滴检测电路以及信号处理电路的整体电路如图3-1所示。图3-1检测及信号处理电路图3.4.电源电路任何电路都离不开电源部分，单片机系统也不例外，而且电源部分应该是我们高度重视的部分，不能应外电源部分电路比较简单而有所忽略。统计表明有将近一半的故障或者制作失败都和电源有关，电源部分做好才能保证电路的正常工作。在本设计系统中，需要电源提供5v的的稳定电压。考虑到纽扣电池等电池的供电能力问题，在本设计中5v电压的提供方式采用输入家用220v或者380v的交流电，经过全桥整流，经过稳压后输出5v稳定的直流电。其原理图如图3-2所示。5v直流电输出7850稳压芯片稳压稳压5v直流电输出7850稳压芯片稳压稳压全桥整流220v或者380v交流电输入图3-2稳压电源原理图单片机电源电路图如图3-3所示。图3-3电源电路图3.5报警电路在本设计中采用声光联动报警系统进行报警，即既有声光报警信号又有数码管显示床位号。声音报警系统中采用比较简单的三极管驱动蜂鸣器进行报警，当输液完毕时单片机驱动报警电路，蜂鸣器就发出“嘟、嘟……”的报警声。同时，光报警系统中采用的发光二极管也进行闪烁报警，医护人员结合对数码显示管的观察确定输液完毕的病床号，及时前往进行换液或者拔针。声光报警电路图如图3-4和3-5所示。图3-4声音报警电路图3-5发光二极管报警电路3.6显示电路本设计的显示电路是为了显示出输液报警的病床号，结合声光报警电路一同进行输液完毕报警，其电路图如图3-5所示。图3-5显示电路图单片机中常用的发光器件有数码管和点阵两种，本设计主要显示的是报警病床号，而非复杂的汉字等，所以选择数码管进行显示电路设计。基于实际情况考虑，一般选择二位或者三位数码管显示。数码管内部由七个条形发光二极管和一个小圆点发光二极管组成，根据各管的亮暗组合成字符。常见数码管有10根管脚。管脚排列如图3-6所示。图3-6数码管管脚排列图其中COM为公共端，发光二极管根据内部的接线形式可分为共阳极和共阴极两种。在使用的时候，共阳极的数码管公共端连接电源，共阴极数码管的公共端连接地。其中每一段发光二极管需要在5mA～10mA的驱动电流下才能够正常的发光，通常为了控制电流的大小会加一个限流电阻。数码管的显示原理为：LED数码管的a～g七个发光二极管中，加正电压的发光，加零电压的不能发光，不同亮暗的组合就能形成不同的字型。在不系统中，当输液完毕时，单片机驱动报警电路进行报警，同时驱动显示电路进行显示，在数码管上显示出输液完毕病床号。使医护人员能后更直观的了解到各个病床的输液情况。3.7单片机最小系统单片机作为本次设计的核心部分，在本课题中是重中之重。普遍来说，单片机又称单片微控制器，是在一块芯片中集成了CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时器、计数器和多种功能的I/O接口，以及其他的一些基本部件。从而可以完成复杂的运算、逻辑控制、通信等功能。其最小系统如图3-7所示。图3-7单片机最小系统电路图单片机最小系统一般包括单片机、复位电路、时钟电路、输入/输出设备等，如图3-8所示。输入/输出设备复位电路输入/输出设备复位电路单片机电源时钟电路电源时钟电路图3-8单片机最小系统框架图3.7.1复位电路复位电路在单片机系统中是非常之关键的，当程序运行不正常或停止运行时，就需要进行复位。在MCS-51系列单片机中，当复位引脚RST（即图3-7的第9管脚）出现2个或者以上的机器周期高电平时，单片机就会自动执行复位操作。而如果复位引脚RST为持续高电平时，单片机此时则处于循环复位中。复位操作一般包括上电自动复位和开关复位两种。3.7.2LED驱动电路一般情况下，不同发光二极管LED的额定电流以及额定电压都有所不同，其中红色发光LED的工作电压一般为1.7v到2.4v之间；一般情况下，常用的直径，实际应用中常工作在μA计算的，其电流强度不足以使一个发光二极管发光工作。所以，一般在单片机最小系统中，一般是采用电源连接到LED发光二极管正极，再经过1k的电阻接通到单片机I/O口的连接方法，也即本设计的声光报警电路的光报警电路连接法，如图3-9所示。图3-9IO口反接法图3-10IO口正接法其中，使用阻值为1k的电阻，是为了限制电路中的电流，使发光二极管的工作电流限定在20mA左右。当然，在一些增强型的单片机中采用的是I/O口接发光二极管LED正极，再接1k电阻之后接地的连接方法，因为这种单片机能提供足够的电流强度。其连接方法如图3-10所示。4软件部分设计在单片机编程语言上，有C语言和汇编两种选择。就C语言和汇编语言进行比较，汇编语言面向硬件，要求对硬件的特性如寄存器之类的比较熟悉，执行效率高，但可读性和移植性差，不同的单片机之间的程序不能通用。Ｃ语言则是面向过程，可读性和移植性很好，效率要比汇编低一些。对于刚接触单片机的人来说，学习这两种语言是一样的，但在以后的开发效率上，C语言的优势就体现出来了，其可以几乎完全不改动的情况下移植，大大提高了开发速度。在此，本设计采用C语言进行单片机编程。软件部分主要包括数码管显示函数、定时器的初始化、键盘扫描、主函数中对键盘扫描的循环调用以及定时器服务函数。采用C语言使用KeiluVsion4进行编写。4.1编程部分主流程图AT89C52单片机的编程主流程图如图4-1所示。图4-1编程主流程图在程序编写中，对判断时间是否大于5秒是这样进行的，设置一个中断时间，装50ms初值。当液滴检测开始时，计时器计时开始，每过一次中断计时器自加时50ms，若中间又有液滴滴下，则前面的计时清零。所以，若计时器累计自加100次，也即时间为100*50ms=5s，表示这段时间内没有液滴滴下，单片机于是驱动报警电路报警。4.2编程函数程序本设计的单片机编程如下：#include<reg52.h>/*******************************//*IO口宏定义 *//*******************************/#defineSMG_DU_PORTP2 //定义P2为数码管段选输出端口#defineSMG_WE_PORTP0 //定义P0为数码管位选输出端口#defineSMG_CLEARP0|=0XFF //消影#defineFMQ_CLRP3&=0X7F //蜂鸣器工作#defineFMQ_SETP3|=0X80 //停止蜂鸣器工作/*******************************//*数码管数组 *//*******************************/unsignedcharSMG_DU[]={0XC0,0XF9,0XA4,0XB0,0X99};//定义数码管段选数组unsignedcharSMG_WE[]={0XFE,0XFD,0XFB,0XF7}; //定义数码管位选数组/*******************************//*数码管显示函数 *//*******************************/staticunsignedcharNum;staticunsignedcharNumtable[4];staticunsignedchartable;voidDisplay(void){ SMG_CLEAR; SMG_DU_PORT=SMG_DU[Numtable[Num]]; SMG_WE_PORT=SMG_WE[Num]; }/*******************************//*定时器初始化 *//*******************************/voidTimerInit(void){ TMOD&=0XF0; TMOD|=0X11; ET0=1; ET1=1; TR0=1; EA=1;}/*******************************//*键盘扫描 *//*******************************/unsignedchark1,k2,k3,k4,k5;unsignedcharTimer1,Timer2,Timer3,Timer4,ifg1,ifg2,ifg3,ifg4;voidKeyScan(void){ if(!(P1&0X01)) //1床正常 { if(k1) { k1=0;TR1=1;Timer1=0;ifg1=1; } } else { k1=1; } if(!(P1&0X02)) // 2床正常 { if(k2) { k2=0;TR1=1;Timer2=0;ifg2=1; } } else { k2=1; } if(!(P1&0X04)) // 3床正常 { if(k3) { k3=0;TR1=1;Timer3=0;ifg3=1; } } else { k3=1; } if(!(P1&0X08)) // 4床正常 { if(k4) { k4=0;TR1=1;Timer4=0;ifg4=1; } } else { k4=1; } if(!(P1&0X10)) //清除警告 { if(k5) { k5=0;TR1=0; Timer1=0;Timer2=0;Timer3=0; Timer4=0; Numtable[0]=0;Numtable[1]=0;Numtable[2]=0;Numtable[3]=0; ifg1=0;ifg2=0;ifg3=0;ifg4=0; FMQ_SET; } } else { k5=1; }}/*******************************//*主函数 *//*******************************/ voidmain(void){ TimerInit(); while(1) { KeyScan(); }}/*******************************//*定时器服务函数 *//*******************************/voidTimer()interrupt3{ TH1=0X3C; //装50ms初值TL1=0XB0; if(ifg1==1) if(++Timer1>=100) // 1床报警 { Numtable[0]=1;FMQ_CLR; } else Numtable[0]=0;if(ifg2==1) // 2床报警 if(++Timer2>=100) { Numtable[1]=2;FMQ_CLR; } else Numtable[1]=0;if(ifg3==1) if(++Timer3>=100) // 3床报警 { Numtable[2]=3;FMQ_CLR; } else Numtable[2]=0;if(ifg4==1) // 4床报警 if(++Timer4>=100) { Numtable[3]=4;FMQ_CLR; } else Numtable[3]=0;}voidTimer0()interrupt1 //数码管扫描{ TH0=0XFC; //装1ms初值 TL0=0X18; Display(); Num++; if(Num==4)Num=0;5全文总结本设计是以AT89C52单片机为核心，通过有线通信方式，将各个板块连接起来的一个自动化系统。主要包括软件编程设计和硬件电路设计两大部分。该系统可以实时监测没个病床患者的输液进程，当液瓶药液输完时进行自动报警，使医护人员及时进行换液或者拔针处理。采用该系统，可使护士在输液过程中不至于手忙脚乱，也避免了陪护人员实时观测输液是否完毕的需要。而且